Научным коллективом при участии ОИЯИ был разработан новый гибридный материал на основе пластика и редкоземельного металла гадолиния. Полученный материал обладает уникальными свойствами, позволяющими использовать его для изготовления оболочек детекторов для обнаружения частиц темной материи. Речь идет об эксперименте по обнаружению темной материи DarkSide-20K. Результаты работы опубликованы в журнале Materials.

О работе рассказывает научный сотрудник ЛЯП ОИЯИ Максим Громов: «Над задачей разработки и изготовления опытной партии этого нового ультранизкофонового конструкционного материала несколько лет трудился коллектив ученых из Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева, НИИЯФ имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова, Международной научно-образовательной лаборатории радиационной физики НИУ «БелГУ» и Объединенного института ядерных исследований. Исследования выполнялись в рамках участия в международном эксперименте DarkSide-20k, являющимся одним из крупнейших проектов в своей области. Детектор планируют запустить в Италии в 2025-2026 годах в подземной низкофоновой лаборатории Гран-Сассо в Италии.

Фото © https://www.lngs.infn.it/

Было необходимо создать конструкционный материал для стенок внутренних буферных слоев детектора DarkSide-20k, предназначенных для уменьшения уровня фона в аргоновой мишени. При этом главным источником фоновых событий являются нейтроны, которые могут легко имитировать рассеяние частиц темной материи на ядрах рабочего вещества. Таким образом, новый гибридный материал должен замедлять и поглощать нейтроны, испуская одновременно гамма-кванты, чтобы пометить фоновые события.

Поиск редких процессов накладывает крайне высокое требование на эффективность регистрации нейтронов. За 10-15 лет работы детектора суммарный нейтронный фон в чувствительной области мишени после всех процедур обработки данных не должен превышать одного события. Обеспечить такую степень защиты можно лишь путем максимального подавления собственной радиоактивности материалов, вызванной присутствием в них долгоживущих изотопов урана и тория, которые инициируют (α,n) реакции. Отсюда вытекает требование ультранизкофоновости нового материала.

Внешней оболочкой детектора DarkSide-20k является криостат, аналогичный криостату экcперимента ProtoDUNE. Все внутренние материалы обязаны не терять своих механических качеств при температуре 87 К или -186 ^оС.

Распределение гадолиния по толщине в образцах нового гибридного материала. Отдельно приведена фотография среза одного из образцов, демонстрирующая однородность распределения гадолиния в полиметилметакрилате.

Удовлетворить все перечисленные требования можно путем создания гибридного материала на основе полиметилметакрилата, более известного как оргстекло, с добавлением, желательно равномерно по объему, некоторого соединения гадолиния. Расчеты показали, что чистого гадолиния надо добавить очень много – примерно 1-2% по массе. Дизайн детектора предусматривает суммарную массу пластиковой конструкции с гадолинием около 12 т, причем составлена она должна быть из листов с габаритными размерами 1x1x0.05 м. Эти факты означают, что перед группой ученых ставилась задача не просто разработать материал с конкретными свойствами, а создать технологию, которая бы допускала масштабирование производства до уровня промышленного выпуска. Облегчающим фактором было отсутствие требования прозрачности материала, так как он не планировался к использованию в качестве сцинтиллятора. С точки зрения физики, было необходимо лишь улавливать нейтроны, при захвате которых на ядрах рождались гамма-кванты, легко регистрируемые в буферных аргоновых слоях.

Поставленная цель была успешно достигнута. В рамках цепочки сменяющий друг друга операций химического синтеза и очистки удалось получить сверхчистые ацетилацетонат гадолиния и метилметакрилат, которые потом были успешно смешаны, а получившийся истинный раствор термически полимеризован. Важно отметить, что достигнуты и гарантированы технологией беспрецедентные уровни чистоты по урану и торию, 0.011 ppb и 0.016 ppb соответственно. Указанные значения фактически есть пределы точности использованного метода масс-спектрометрии. В заключение хотелось бы отметить определяющий идейный и организационный вклад в исследование со стороны наших коллег Игоря Христофоровича Аветисова из РХТУ и Александра Сергеевича Чепурнова из НИИЯФ МГУ».

Максим Громов. Фото © Ирина Сидорова

На текущий момент опытные образцы прошли все необходимые испытания. Ведутся работы для создания инфраструктуры для производства нового конструкционного материала в промышленных масштабах. Как отмечает М. Б. Громов, материал перспективен для использования не только в фундаментальных исследованиях, но и для практического применения в различных ядерных установках, в том числе хозяйственного назначения, а также в приборах, предназначенных для работы в экстремальных погодных условиях, например, в зимние периоды или на Крайнем Севере.